CN113315269B - 一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机 - Google Patents

一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明为一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机，包括转子、定子铁心、永磁体、电枢绕组、环形机壳和导磁调磁块；多个定子铁心呈圆周排布在环形机壳的内侧，定子铁心的轭部紧挨环形机壳的内壁；相邻两个定子铁心之间嵌有永磁体，相邻两个永磁体的充磁方向相反；转子安装在所有定子铁心的中心处，转子齿与定子齿之间具有气隙；相邻两个定子铁心相邻的两个定子齿上均绕置有电枢绕组的电枢线圈，每个永磁体上、下两端与电枢线圈之间的空间内分别设有导磁调磁块，导磁调磁块能够沿电机径向往复移动，通过改变导磁调磁块与永磁体端部的相对面积，调节永磁漏磁通，实现机械弱磁，弱磁效果明显。

Description

一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机
技术领域
本发明属于定子型永磁同步电机技术领域，具体是一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机。
背景技术
由于石油资源紧缺以及燃油汽车带来的空气污染问题，迫使人们寻求节能环保的交通工具，因此电动汽车应运而生。而牵引电机作为电动汽车的重要组成部分，其性能优劣很大程度上决定了电动汽车整车的性能。永磁同步电机由于具有高转矩密度、高效率等优点，在电动汽车牵引电机领域被广泛应用。
无论是转子型永磁同步电机还是定子型永磁同步电机，它们的主磁通通常由高矫顽力的永磁体提供。弱磁方式主要包括电弱磁和机械弱磁，电弱磁采用向负直轴注入电流的方式实现弱磁增速，但电弱磁能力受到逆变器容量的限制，弱磁能力有限。机械弱磁则是通过机械装置对永磁体、内外定子、分段定子、外部导磁调磁块的相对位置进行调节，实现对主磁通或永磁漏磁通的调节，进而实现弱磁。
文献《Shakal,Y.Liao and T.A.Lipo,"A permanent magnet AC machinestructure with true field weakening capability,"ISIE'93-Budapest:IEEEInternational Symposium on Industrial Electronics Conference Proceedings,Budapest,Hungary,1993,pp.19-24.》在内置式永磁同步电机的转子两端放置铁板，实现机械弱磁，此方案的不足是铁板与转子间的距离必须大于零，因此永磁体和铁板之间存在轴向气隙，机械弱磁能力有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机，包括转子、定子铁心、永磁体和电枢绕组；其特征在于，还包括环形机壳和导磁调磁块；
多个定子铁心呈圆周排布在环形机壳的内侧，定子铁心的轭部紧挨环形机壳的内壁；相邻两个定子铁心之间嵌有永磁体，相邻两个永磁体的充磁方向相反；转子安装在所有定子铁心的中心处，转子齿与定子齿之间具有气隙；相邻两个定子铁心相邻的两个定子齿上均绕置有电枢绕组的电枢线圈，每个永磁体上、下两端与电枢线圈之间的空间内分别设有导磁调磁块，导磁调磁块能够沿电机径向往复移动，通过改变导磁调磁块与永磁体端部的相对面积，调节永磁漏磁通，实现机械弱磁。
所述导磁调磁块与永磁体之间的相对面积大小与永磁漏磁通的大小正相关，当导磁调磁块完全覆盖永磁体的端部时，永磁漏磁通最大。
所述环形机壳的上、下两端分别呈圆周设有与永磁体数量相同的沿电机径向的通孔，每个导磁调磁块插装在各自的通孔内。
所述导磁调磁块的径向移动采用电控装置或手动实现；当采用手动调节导磁调磁块的径向移动时，环形机壳外侧的周向上设有两个圆盘，每个圆盘上呈圆周设有多个螺纹孔，与导磁调磁块螺纹连接。
所述导磁调磁块呈长条形，由硅钢片叠压而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在永磁体的上、下端部放置导磁调磁块，永磁漏磁磁路的磁阻会大幅降低，使得永磁漏磁通大幅增加，进而永磁主磁通降低，实现弱磁增速；通过改变导磁调磁块与永磁体端面之间的相对面积大小，改变永磁漏磁通的大小，调节过程简单。本发明的电机可以依据实际工况调节导磁调磁块的位置，在逆变器容量容许的前提下，结合电弱磁方式(通过调节电枢绕组的电流强度实现)进行平滑快速的弱磁。本发明适用于任意槽极的定子型永磁同步电机。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明去除环形机壳后的结构图；
图3为本发明的环形机壳的结构图；
图4为本发明未放置导磁调磁块时的永磁漏磁磁感线的示意图；
图5为本发明放置导磁调磁块后的永磁漏磁磁感线的示意图；
图6为放置导磁调磁块前、后，开路相磁链(A相)的对比图；
图7为放置导磁调磁块前、后，电机d轴电感的对比图；
图8为在机械弱磁前、后，电机的电磁转矩-转速对比图；
附图标记，1-永磁体，2-导磁调磁块，3-定子铁心，4-环形机壳，5-电枢绕组，6-转子，41-通孔；42-圆盘。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案进行详细描述，并不用于限定本申请的保护范围。
本发明为一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机(简称电机，参见图1-8)，包括环形机壳4、转子6、导磁调磁块2、定子铁心3、永磁体1和电枢绕组5；
多个定子铁心3呈圆周排布在环形机壳4的内侧，定子铁心3的轭部紧挨环形机壳4的内壁；相邻两个定子铁心3之间嵌有永磁体1，相邻两个永磁体1的充磁方向相反；转子6安装在所有定子铁心3的中心处，转子齿与定子齿之间具有气隙；相邻两个定子铁心3相邻的两个定子齿上均绕置有电枢绕组5的电枢线圈，每个永磁体1两端与电枢线圈之间的空间内分别设有导磁调磁块2，导磁调磁块2能够沿电机径向往复移动，调节导磁调磁块2与永磁体1端部的相对面积，进而调节永磁漏磁通，实现机械弱磁。
所述环形机壳4的上、下两端分别呈圆周设有与永磁体1数量相同的沿电机径向的通孔41，每个导磁调磁块2插装在各自的通孔41内，沿电机径向移动导磁调磁块2，即可调节导磁调磁块2与永磁体1端部的相对面积，导磁调磁块2为永磁体漏磁通提供磁阻更小的磁路，进而调节永磁漏磁通；导磁调磁块2与永磁体1之间的相对面积大小与永磁漏磁通的大小正相关，当导磁调磁块2完全覆盖永磁体1的端部时，永磁漏磁通最大；当导磁调磁块2与永磁体1的端部不存在相对面积，即导磁调磁块2与永磁体1的端部不重合时，永磁漏磁通很小；可以通过电控装置实现导磁调磁块2的径向移动，对导磁调磁块2进行高精度控制，本申请不再赘述电控装置的结构；也可以手动调节导磁调磁块2实现径向移动，此时环形机壳4外侧的周向上设有两个圆盘42，每个圆盘42上呈圆周设有多个螺纹孔，导磁调磁块2上也设有螺纹孔，螺栓穿过导磁调磁块2上的螺纹孔和圆盘42上的螺纹孔，实现导磁调磁块2与环形机壳4的连接，避免导磁调磁块2径向跳动。
所述导磁调磁块2为硅钢片叠压而成，导磁调磁块2呈长条形。
所述定子铁心3为C型、U型、E型、多齿等类型的定子铁心。
所述转子6为凸极结构。
所述定子永磁同步电机为开关磁链永磁电机。
本发明的工作原理和工作流程是：
每个永磁体1产生的总磁通包含永磁主磁通和永磁漏磁通；永磁主磁路从永磁体1从发，依次经过定子铁心3的一个定子齿、轭部、另一个定子齿、气隙、转子，最后回到永磁体1；永磁漏磁路从永磁体1出发，经过一个定子铁心3的一个定子齿、空气和另一个定子铁心3的一个定子齿，再回到永磁体1；由于空气的相对磁导率接近于1，磁阻很大，因此只有极少的漏磁通，当导磁调磁块2与永磁体1的端部存在重叠部分时，由于导磁调磁块2的磁阻小，会有更多靠近永磁体端部的磁力线直接经过导磁调磁块2形成短路，生成更多的永磁漏磁通；由于永磁磁通是固定的，当永磁漏磁通增加时，永磁主磁通必然降低，即可实现机械弱磁，进而实现电机的弱磁增速。可依据实际工况确定弱磁程度及导磁调磁块2的位置，在恒转矩区为了达到最大转矩，不需要弱磁，可通过电控装置将导磁调磁块2完全移出环形机壳4。
通过有限元分析结果来验证本发明机械弱磁的有效性，量化分析机械弱磁效果，电机的主要参数如表1所示；其中，PM表示永磁体，MC表示导磁调磁块；
表1 电机的主要参数
Figure BDA0003091748500000031
公式(1)是d轴磁链ψd的表达式，其值可以表征弱磁程度，弱磁程度越大，其值越小：
ψd＝ψPM-LdId (1)
其中，ψPM表示永磁磁链，Ld表示d轴电感，Id表示大于零的d轴电流；
从公式可以看出，最大弱磁程度实质上由ψPM和Ld这两个电机参数决定(对于固定的逆变器，d轴电流最大值为恒定值)，弱磁的目的是确保电机在高速运行时的反电动势不超过逆变器的电压限值，最大弱磁程度对应电机的最高转速。
图6为放置导磁调磁块前、后，开路相磁链(A相)的对比图；当放置导磁调磁块后，相磁链的幅值降低了28.4％，当不考虑饱和效应和交叉耦合效应时，此时相磁链的幅值即为永磁磁链值，即永磁磁链降低了28.4％，弱磁效果明显。
图7为放置导磁调磁块前、后，d轴电感Ld的对比图；放置导磁调磁块后，d轴电感Ld明显增大，电机的电弱磁能力增强，因此，本发明提出的在永磁体上、下端部放置导磁调磁块的弱磁方式，不仅可以降低永磁磁链，还进一步增强了电机的电弱磁能力。
图8为在机械弱磁前、后，电机的电磁转矩-转速对比图，从图中可以看出，在机械弱磁前，电机的转速范围为0-5.5Krpm，机械弱磁后电机的转速范围为0-38Krpm，转速范围增大了7倍左右，因此本发明电机弱磁增速效果明显。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种具有弱磁功能的定子型永磁同步电机，包括转子、定子铁心、永磁体和电枢绕组；其特征在于，还包括环形机壳和导磁调磁块；
多个定子铁心呈圆周排布在环形机壳的内侧，定子铁心的轭部紧挨环形机壳的内壁；相邻两个定子铁心之间嵌有永磁体，相邻两个永磁体的充磁方向相反；转子安装在所有定子铁心的中心处，转子齿与定子齿之间具有气隙；相邻两个定子铁心相邻的两个定子齿上均绕置有电枢绕组的电枢线圈，每个永磁体上、下两端与电枢线圈之间的空间内分别设有导磁调磁块，导磁调磁块能够沿电机径向往复移动，依据实际工况调节导磁调磁块的位置，通过改变导磁调磁块与永磁体端部的相对面积，调节永磁漏磁通，实现机械弱磁；通过调节电枢绕组的电流强度实现电弱磁；
所述环形机壳的上、下两端分别呈圆周设有与永磁体数量相同的沿电机径向的通孔，每个导磁调磁块插装在各自的通孔内；导磁调磁块的径向移动采用电控装置或手动实现；当采用手动调节导磁调磁块的径向移动时，环形机壳外侧的周向上设有两个圆盘，每个圆盘上呈圆周设有多个螺纹孔，与导磁调磁块螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的具有弱磁功能的定子型永磁同步电机，其特征在于，导磁调磁块与永磁体之间的相对面积大小与永磁漏磁通的大小正相关，当导磁调磁块完全覆盖永磁体的端部时，永磁漏磁通最大。
3.根据权利要求1所述的具有弱磁功能的定子型永磁同步电机，其特征在于，所述导磁调磁块呈长条形，由硅钢片叠压而成。
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